高鐵為什么長這樣？不是跑得快，而是飛得低【轉(zhuǎn)發(fā)】

2018-06-02  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

說起高速列車,我們印象最深的就是它“子彈頭”形狀的流線型頭型,與之前方方正正的“綠皮車”有明顯的區(qū)別。高速列車采用流線型頭型,目的是優(yōu)化其空氣動(dòng)力學(xué)性能,降低空氣阻力、壓力波、噪聲等,提高運(yùn)行速度。但列車運(yùn)行時(shí)的空氣阻力很大么,有必要這么重視么?列車正常運(yùn)行時(shí),行駛阻力一般包括輪軌滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速時(shí)的慣性阻力,在低速運(yùn)行時(shí),輪軌阻力占主要部分,但隨著列車運(yùn)行速度提高,空氣阻力將增加,當(dāng)列車速度超過200公里/小時(shí)后,其將成為列車運(yùn)行阻力的主要部分。

日常生活中,我們都有這種經(jīng)歷:在微風(fēng)中逆風(fēng)行走,我們幾乎不會(huì)意識(shí)到風(fēng)的阻力存在。然而,若是在5級(jí)以上的大風(fēng)中逆風(fēng)而行,風(fēng)的阻力之大,就會(huì)讓我們體會(huì)到什么叫寸步難行了。列車運(yùn)行時(shí)受到的空氣阻力與速度的平方成正比,因此,中、低速“綠皮”列車運(yùn)行就好比我們?cè)谖L(fēng)中行走,設(shè)計(jì)人員基本上不用專門去考慮空氣阻力的影響?？墒?對(duì)于時(shí)速200公里以上的高速列車,情形可就不一樣了,空氣阻力可以占列車行駛阻力的75%以上,設(shè)計(jì)者通常需要利用空氣動(dòng)力學(xué)原理,通過流線化車頭、車身、車體附屬部分來盡量減少空氣阻力?？諝庾枇τ扇糠纸M成:

• 一是,列車車頭迎風(fēng)受到的正面壓力,列車尾部由于空氣尾流引起空氣稀薄而產(chǎn)生的向后的拉力,這樣由于頭部及尾部壓力差形成的阻力稱為壓差阻力;

  
  

• 二是,由于空氣粘性而引起的作用于車體表面的摩擦阻力;

  
  

• 三是,有車輛轉(zhuǎn)向架、車頂設(shè)備、門窗、車廂間鏈接風(fēng)擋等車輛,表面凹凸結(jié)構(gòu)引起的干擾阻力。

高速列車車頭設(shè)計(jì)成流線型的主要目的是為了減小壓差阻力。這個(gè)設(shè)計(jì)思想和飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)差不多。然而,流線型也是各種各樣的。到底什么樣的車頭形狀更合適,設(shè)計(jì)人員根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬和模型實(shí)驗(yàn),測(cè)試車體周圍的氣流、列車表面壓力、氣動(dòng)力等參數(shù),來決定最佳的車頭流線型。只要在站臺(tái)上稍微注意過高速列車車體,我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它有很多和普通列車不一樣的地方:車體側(cè)壁幾乎沒有凹凸不平的地方,車廂底部的各種裝置全被光滑平整的“車裙”─ 裙板罩住,車廂頂部的受電弓也用專門為它制作的導(dǎo)流罩保護(hù)起來。這一切的努力,主要是為了減小由空氣引起的摩擦阻力和干擾阻力。

降低列車運(yùn)行時(shí)的空氣阻力是高速列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)重要的優(yōu)化方向,但不是全部。列車以高速運(yùn)行,原本在中、低速時(shí)沒有表現(xiàn)出來的問題,往往會(huì)顯現(xiàn)出來。如壓力波問題、氣動(dòng)噪聲問題等。

我們?cè)诔俗咚賱?dòng)車組列車時(shí)有過這樣的體驗(yàn):原本平穩(wěn)運(yùn)行的列車,在對(duì)面列車疾馳而過時(shí)伴隨著一聲呼嘯發(fā)生了短暫而較強(qiáng)的橫向晃動(dòng)。這種橫向晃動(dòng)就是由列車的交會(huì)壓力波所引起的。列車會(huì)車時(shí),相對(duì)運(yùn)動(dòng)的列車車頭對(duì)空氣形成擠壓,便會(huì)在列車交會(huì)內(nèi)側(cè)的側(cè)壁上產(chǎn)生交替的高壓區(qū)和低壓區(qū)。列車速度越高,會(huì)車產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度也就越大。兩列車相向交會(huì)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的會(huì)車壓力波作用在車體上會(huì)對(duì)列車側(cè)壁和側(cè)窗強(qiáng)度、列車運(yùn)行穩(wěn)定性和旅客乘坐舒適性產(chǎn)生不利影響,甚至可能產(chǎn)生運(yùn)行安全問題,如車體側(cè)窗破碎、車輛蛇形運(yùn)動(dòng)、輪緣與道軌因側(cè)向沖擊造成磨損等。我國鐵路客運(yùn)提速至160公里/小時(shí),就曾多次發(fā)生會(huì)車引起的列車側(cè)窗玻璃破碎事故。如今列車的運(yùn)行速度都在200公里/小時(shí)以上,甚至是350公里/小時(shí),會(huì)車壓力波的變化幅值和最大正、負(fù)壓力極值都會(huì)急劇增大,有可能帶來更大的負(fù)面效應(yīng)。在列車氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方面,加長列車流線型頭部長度,采用扁寬型頭型,可以有效減小交會(huì)壓力波幅值。

高速列車在隧道內(nèi)運(yùn)行是最為復(fù)雜和惡劣的運(yùn)行工況,在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)列車的表面壓力幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于列車在明線運(yùn)行時(shí)的表面壓力。列車進(jìn)入隧道時(shí),列車前方的空氣受到擠壓來不及從隧道口排除,壓力急劇升高,在入口處產(chǎn)生一個(gè)壓縮波,向隧道出口以音速傳播;當(dāng)列車的車尾進(jìn)入隧道時(shí),列車后方由于隧道內(nèi)空氣來不及補(bǔ)充,壓力急劇降低,形成一個(gè)膨脹波,這一膨脹波將掠過車體以音速向隧道出口傳播。在隧道出口壓縮波和膨脹波一部分會(huì)以微氣壓波的形式向外散射,另一部分發(fā)生相互轉(zhuǎn)化后反射回來向隧道入口傳播。如果隧道比較長,隧道內(nèi)壓力波會(huì)反復(fù)作用于列車,使得列車表面壓力在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化,這種劇烈的壓力變化考驗(yàn)著列車的氣密性,如果列車氣密性較差,車外的壓力波動(dòng)會(huì)傳入車內(nèi),引起車內(nèi)壓力發(fā)生突變,造成乘客耳鳴,影響乘坐舒適性。同時(shí),受隧道壓力波的影響,列車在隧道內(nèi)所受的氣動(dòng)力會(huì)發(fā)生不平衡的現(xiàn)象。我國在高鐵運(yùn)營期間,發(fā)現(xiàn)在具有多個(gè)隧道的線路上運(yùn)行時(shí),列車輪、軌之間的磨損比完全明線運(yùn)行條件下要嚴(yán)重得多;日本還發(fā)現(xiàn)列車在隧道中運(yùn)行時(shí)尾車出現(xiàn)橫向擺動(dòng)現(xiàn)象。一般地,減小列車最大橫截面積與隧道橫截面積的比值(阻塞比),可以有效地減弱隧道壓力波的強(qiáng)度,這也是高速列車一直在追求“苗條”和“瘦身”的原因之一。

高速列車進(jìn)入隧道后,隧道內(nèi)的空氣收到擠壓,形成壓力波以音速向隧道出口方向快速推進(jìn),壓力波到達(dá)出口時(shí),一部分壓力波以脈沖的形式向四周發(fā)射出去,同時(shí)產(chǎn)生爆破聲,這種波被稱為隧道微氣壓波。微氣壓波主要是能量低于20Hz的次聲波,可傳遞到400米遠(yuǎn)的地方,對(duì)生活在隧道附近的居民來說,這是一個(gè)令人討厭的噪聲環(huán)境。微氣壓波的大小與到達(dá)隧道口的壓力波波面的壓力變化的程度成正比,與到出口的距離成反比。壓力變化的程度又與列車進(jìn)入隧道速度的3次方成正比。一般而言,在短隧道內(nèi),微氣壓波與列車進(jìn)入隧道速度的3次方成正比;在長大隧道內(nèi),無砟軌道結(jié)構(gòu)的微氣壓波比有砟軌道結(jié)構(gòu)的微氣壓波要大。為了解決微氣壓波問題,在車體設(shè)計(jì)上要減小車體的橫截面積,使得列車橫截面積與隧道橫截面積的比值(阻塞比)減小,并對(duì)車頭流線型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),調(diào)整列車頭部截面變化率,列車頭部的截面呈線性變化,進(jìn)隧道時(shí)形成的壓力梯度較低,可以有效減小微氣壓波。

微氣壓波的產(chǎn)生過程

在空氣中高速前行的列車引起空氣流紊亂,從而產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲又是一個(gè)影響列車乘坐舒適性的氣動(dòng)問題。

高速列車氣動(dòng)噪聲能量與列車速度的6-8次方成正比,如果把列車速度從200公里/小時(shí)提高到300公里/小時(shí),氣動(dòng)噪聲將提高約10─14分貝。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,設(shè)計(jì)人員把流線型車頭設(shè)計(jì)的尖而長,把車輛斷面積盡量減小,同時(shí)讓車體盡量平整光滑不要出現(xiàn)凹凸的部分。為了減小高速列車氣動(dòng)噪聲,除車體設(shè)計(jì)上外,還要減小車輛頂部受流系統(tǒng)引起的氣動(dòng)噪聲,為此設(shè)計(jì)人員對(duì)受電弓及其周邊裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。安裝受電弓導(dǎo)流罩、開發(fā)低噪聲受電弓、采用低噪聲絕緣子等來減少車頂受流系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲。

CRH380A是我國高速動(dòng)車組自主研發(fā)的標(biāo)志性里程碑,CRH380A是在CRH2的基礎(chǔ)上完全由我國自主設(shè)計(jì)而來的第二代高速動(dòng)車組列車,最高運(yùn)行速度為380公里/小時(shí),持續(xù)運(yùn)營速度為350公里/小時(shí)。第一次看到CRH380A,撲入我們眼簾的就是它們那嶄新的貌似火箭的頭型。為了讓列車最高運(yùn)行速度達(dá)到380公里/小時(shí),解決因速度提升帶來的安全性、舒適性以及節(jié)能環(huán)保性等帶來的影響,如何通過合理的頭型設(shè)計(jì),減小列車運(yùn)行阻力、抑制運(yùn)行噪聲、減小列車高速交會(huì)時(shí)的氣動(dòng)壓力波幅值、保證司機(jī)視角、兼顧中國文化因素等等,都是領(lǐng)設(shè)計(jì)者們煞費(fèi)苦心的事情。CRH380A頭型為旋轉(zhuǎn)拋物體特征的楔形結(jié)構(gòu),縱斷面型線為雙拱形,水平斷面線型為長扁型。與CHR2相比,CRH2的車頭長度只有9.4米,而CRH380A的車頭長度達(dá)到12米,長細(xì)比增加了30%左右;CRH2的車頭截面積為11.2平方米,CRH380A的截面積略小,為11.12平方米;為了降低交會(huì)壓力波,提高列車運(yùn)行時(shí)的橫向穩(wěn)定性,CRH380A加大了車體的側(cè)頂弧度。正是通過這些技術(shù)努力,CRH380A頭型在綜合氣動(dòng)性能方面較CRH2C有了明顯提升。

高速列車外形固然漂亮,但它們絕不是單純的美術(shù)品。在列車優(yōu)美的線條下都有空氣動(dòng)力學(xué)的支撐,保證列車高速、安全、舒適的運(yùn)行。經(jīng)過空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的車體結(jié)構(gòu),會(huì)具有氣動(dòng)性能更佳優(yōu)異的頭部外形、更高的強(qiáng)度、更光滑的車身和更好的氣密性。

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